Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu. Zachování hmoty Rovnice kontinuity. Ideální kapalina. Reálná kapalina - viskozita

Transkript

1 Tekutiny ve farmaceutickém růmyslu Kaaliny rozouštědla kaalné API, lékové formy diserze Plyny Vzduchotechnika Sušení Fluidní oerace Tekutiny Charakteristika, roudění tekutin, interakce s PL, filtrace P07 Interakce artikulárních látek s tekutinou Ideální kaalina Ideální kaalina je nestlačitelná, ale neexistují v ní smyková naětí ani deformace. Zachování hmoty Rovnice kontinuity Vteřinový objemový růtok Q kaaliny určitou roudovou trubicí se zachovává. Je-li u nestlačitelných kaalin v jednom jejím místě růřez S 1 a v druhém S, latí : S 1 v 1 = Q 1 = Q = S v U stlačitelných tekutin je konstantní růtok hmotnostní a latí : S 1 v 1 1 = S v Zachování energie Bernoulliho rovnice Reálná kaalina - viskozita 1 P u z g konst Rozměr J.kg -3 u rychlost roudění z výška P tlak Dynamická viskozita, η [Pa.s] u y τ tečné naětí latí ro Newtonovské tekutiny ohyblivý ovrch tekutina y τ u u y stacionární ovrch 1

2 Tyy viskozity (éta) je dynamická viskozita [] = kg.m -1.s -1 = N.m -.s = Pa.s Starší jednotka Poise P=g.cm -1.s -1 =0,1 Pa.s Často se oužívá viskozita vztažená na hustotu, tzv. kinematická viskozita = / Vizkozity tekutin Látka Viskozita [Pa.s] Vzduch 10-5 Zkaalněný N 10-4 Voda Olej Glycerin Masťový základ 10 5 Nenewtonovské kaaliny Nenewtonovské kaaliny τ Binghhamská Newtonovská Dilatantní Zdánlivá viskozita může záviset také na době namáhání. Některé seudolastické a lastické systémy mají chování : tixotroní u nichž viskozita s časem klesá du/dx Nenewtonovské kaaliny Proudění viskózní kaaliny Zdánlivá viskozita může záviset také na době namáhání. Některé dilatantní systémy mají chování: reoektické u nichž viskozita s časem roste F t F 1 F r 1 r Směr ohybu tekutiny

3 Proudění viskózní kaaliny rovnováha sil Tlakové síly ůsobí na odstavy lášť síla zůsobená třením okolních vrstev. Pohybuje-li se válec rovnoměrně, musí být všechny síly na něj ůsobící v rovnováze : du r ( 1 ) rl 0 dr 1 du r dr l Proudění viskózní kaaliny v kulaté trubce okrajová odmínka u(r) = 0 : u stěny trubky je rychlost nulová u(r) r 1 u( r; R) ( R r ) 4 l u max 1 u ( max R ) 4 l R Poiseuillův zákon Režim toku Laminární tok otrubím Laminární 1 u R 4 l r Turbulentní u max 1 R 4 l Q A uda Q R 8 l R 0 4 R R r rdr 1 urdr 4 l 0 Hagen-Poiseuillova rovnice Hranice režimů roudění Reynoldsovo kritérium Re ul ul relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti Re < 300 laminární roudění Re > turbulentní roudění Teorie odobnosti Pro turbulentní systémy je řešení Navier Stokesovy rovnice obtížné Nutné exerimentální studium systému Možný řenos oznatků mezi odobnými systémy Podobné systémy stejné hodnoty kritérií odobnosti 3

4 Kritéria odobnosti Strouhalovo kritérium tu St L t, u, L charakteristický čas, rychlost, velikost Reynoldsovo kritérium Re ul ul relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti Kritéria odobnosti Eulerovo kritérium Eu u relace mezi tlakovou a setrvačnou silou Froudovo kritérium gl Fr u relace mezi gravitačními a setrvačnými silami Disiace energie ři roudění kaalin Bernoulliho rovnice 1 u A, stř PA 1 zag u u rychlost roudění z výška P tlak B, stř E dis měrná dissiovaná energie PB zbg E dis Moodyho diagram f frikční faktor l E dis f d u Dorava kaalin - čeradla Hydrostatická (ositive dislacement) řeměna ráce na tlak v rvku čeradla ístová, lamelová, zubová, membránová, aj. hlavní nevýhodou je ulsace Hydrodynamická řeměna ráce na kinetickou energii, oté na tlak axiální, radiální (odstředivá) hlavní nevýhodou je kavitace Pístová čeradla 4

5 Zubová čeradla Membránová čeradla Čerání zvláštních tekutin viskózní abrazivní s evnými částicemi Membrána ovládána ístem stlačeným lynem Mechanismus čeradla oddělen od čerané tekutiny Odolnost vůči zvláštním médiům Šneková a eristaltická čeradla Hydrodynamická čeradla Odstředivé Axiální Funkce odstředivého čeradla Dorava lynů Přetlaková ventilátory (fans) dmychadla (blowers) komresory (comressors) Podtlaková vývěvy (vacuum um) 5

6 Ventilátory Charakteristika dorava většího množství lynů ři malém řetlaku (0,1-0,11 MPa) radiální (arskový) ventilátor doravovaný lyn se sacím hrdlem řivádí na střed oběžného kola se zahnutými loatkami. Odstředivou silou je vytlačován do sirální skříně a výtlačného hrdla, odkud vychází ven. Ventilátory axiální (osový) ventilátor oběžné kolo má tvar několikakřídlové vrtule.jeho rotací se vzduch ohybuje rovnoběžně s osou (oužívají se k odvětrávání místností) Dmychadla Dmychadla Charakteristika dorava lynů za středního tlaku (0,11-0,3 MPa). Rootsovo dmychadlo (Roots blower) odobné zubovému čeradlu - ve skříni dmychadla se roti sobě otáčejí rotory, které jsou neustále ve vzájemném dotyku a současně řiléhají k vnitřním stěnám skříně a rozdělují jí na komory. Plyn se nasává do 1 komory mezi rotor a skříň a ve. komoře se vytlačuje. Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower) rotor má uložený ve válcové skříni s drážkami ro výsuvné lamely (destičky). Lamely mají mírný sklon, ři otáčení rotoru jsou odstředivou silou řitlačovány k vnitřní straně válcové skříně a tím vytvářejí komůrky, jejich objem se směrem od sacího hrdla k výtlačnému snižuje a tím dochází ke stlačování lynu. Komresory Komresory Charakteristika stroje k doravě a stlačování lynů, které vyvíjejí tlak 0,3-100 MPa. Při stlačování dochází ke zvyšování teloty a roto se musí chladit Pístové komresory stlačují lyn vratným ohybem ístu ve válci. mohou být dvou- a vícestuňové - stlačený lyn z ředcházejícího stuně vstuuje vždy do dalšího válce o menším objemu. Rotační loatkové turbokomresory stlačují lyn omocí rotujících oběžných loatek. radiální - mají stejný rinci i konstrukci jako turbodmychadla, liší se vyšším očtem stuňů a vyšším tlakem a zmenšuje šířka a růměr oběžných kol. axiální - Základ komresoru je rotor s loatkami, které vhánějí lyn řiváděný sacím hrdlem do neustále se zmenšujícího objemu, čímž se lyn stlačuje a vychází výtlačným hrdlem. 6

7 Komresory Šroubový komresor lyn se řivádí mezi šrouby, které do sebe zaadají. Každý má jiný očet závitů i otáček. Šrouby řiváděný lyn stlačují a vedou do výtlačného hrdla. Vývěvy Charakteristika zařízení, která vysávají lyn z uzavřeného rostoru, kde má vzniknout odtlak a nasátý lyn stlačují na tlak atmosférický Pístové řiomínají ístové komresory Rotační založeny na rotaci excentricky umístěného válce s loatkami nebo výsuvnými lamelami. Vývěvy Olejová rotační vývěva rotační vývěva s vnitřní olejovou lázní leší těsnost chlazení těla vývěvy olejem Vodokružná vývěva mezi excentrickým rotorem a vodním rstencem vytvářejí loatky komůrky, které se od sacího otvoru nejdříve zvětšují (tím se lyn nasává), směrem k výtlačnému otvoru se zmenšují (lyn je vytlačován). Vývěvy Proudová vývěva roud tlakové vody nebo áry se řivádí do trysky, kde zúžením růřezu rudce stoune rychlost a tím oklesne tlak vzniklým odtlakem se nasává doravovaný lyn ze sací komory směs nosného média a nasátého lynu řichází do difuzoru, kde se růtokový růřez zvolna rozšiřuje, tím se roud zomaluje a jeho tlak vzrůstá Dorava kaalin čeradlem Bernoulliho rovnice 1 WA u A, stř PA 1 z Ag u B, stř PB zbg E WA ub u A PB PA Edis H C zb z A g g g g dis Charakteristika čeradla H c hydrodynamické čeradlo H C charakteristika otrubí Potřebná racovní výška čeradla hydrostatické čeradlo Q, m 3.s -1 7

8 Proudění v orézních médiích Proudění nekruhovým růřezem Porézní média orézní evné látky membrány lože sykých hmot Důležité ro ois filtračních rocesů fluidačních rocesů oerací s diserzemi Ekvivalentní hydraulický růměr S lošný 4S růřez otvoru, otrubí d ekv O smočený O vnitřní obvod růřezu Využití nekruhová otrubí roudění orézními médii Veličiny ro ois roudění ve vrstvě Q [m 3.s -1 ] S [m ] d [m] ε d A ψ h [m] Rychlost roudění mimovrstvová, u [m.s -1 ] Q u S střední v mezerách, u f [m.s -1 ] Q u u f S Hustota ovrchu a A a V Hustota ovrchu Lože kulovitých částic A A1 na 1 61 a V Vs nv d Lože obecných částic A a 1 Ak, ekv1 61 V V d k, ekv k, ekv Model toku v orézním médiu Aroximace média aralelními kanálky se stejnou mezerovitostí stejnou hustotou ovrchu A A nokh 4 a V Vk ns kh dekv Disiovaná energie a Re E dis f l d ekv u f al u f f 4 u f dekv u f 4 Re a Výočet součinitele tření Ergunova rovnice, emirické koeficienty K 133 f B f 1, 75 Re Re Laminární oblast, kulové částice K f Re východisko ro ois filtrace E 9K K h 1 9K h 1 u 3 u 4 Re d 8 d dis 3 8

9 Alikace toku orézním médiem Tok vrstvou kuliček + Ergunova rovnice h 1 Edis u d Bernouliho rovnice Δh ~ 0; Δu ~ 0 Výsledek: Blake-Koženého rovnice E dis Alikace toku orézním médiem Průtok orézní vrstvou Q ovlivňuje tlak viskozita locha filtru tloušťka filtru A d ua h koeficient ermeability K A K h h u d Princi filtrace Povrchová vs. hloubková filtrace Dělení evných částic od tekutiny na orézní filtrační řeážce Susenze, Aerosol Filtrační koláč Filtrační řeážka Filtrát Tyy filtrů Absolutní tenká filtrační řeážka s velikostí órů menší než jsou zachytávané částice robíhá koláčová filtrace Relativní (hloubkové) zachytávají se částice odstatně menší než je rozměr órů účinnost zachycení závisí na tloušťce filtrační vrstvy zachycení robíhá za ůsobení ovrchových nerovností, ovrchových sil, elektrostatických sil Povrchová (koláčová) filtrace Filtrační koláč může sulovat funkci filtrační řeážky 9

10 Filtrační řeážky Vrstvy zrnitých materiálů Vrstvy vláknitých materiálů Paírové materiály Porézní komaktní materiály Tkaniny Perforované desky, síta Makroorézní membrány Kritéria vhodnosti filtrů Rychlost filtrace Účinnost filtrace Chemická stabilita filtru Afinita k filtrované tekutině Adsorce složek filtrovaného média na filtru Filtrační nuče Svíčkové filtry Jednoduché tlakové nebo vakuové filtry nař. ro searaci krystalů z matečného louhu Listové filtry Kalolis 10

11 Filtrace ve farmacii Čiření (čistící filtrace) ožadovaným roduktem je filtrát evných částic je velmi málo, jsou malé seciální říad = sterilní filtrace musí zachytit veškeré mikroorganismy 0, 0,45 μm Koláčová filtrace roduktem je filtrační koláč evných částice je až 0 % není nutná 100 % účinnost Faktory ovlivňující rychlost filtrace Tlak vyšší tlakový rozdíl (řetlak / vakuum) urychluje filtraci existuje limit daný evností filtrační řeážky Viskozita vyšší viskozita zomaluje filtraci možno ovlivnit telotou Plocha filtru vyšší locha urychluje filtraci zomaluje nárůst filtračního koláče Faktory ovlivňující rychlost filtrace Tloušťka filtru / koláče zomaluje filtraci Koeficient ermeability funkce velikosti částic (órů) a orozity orozita se výrazně snižuje u širokodiserzních hmot aditiva ro větší orozitu koláče flokulace Zadržování částic ři hloubkové filtraci Částice se zadržují na stěnách órů filtračního média Kontakt se stěnou zajišťuje setrvačnost Brownův ohyb gravitace Efektivita roste s turbulencí klesajícím růtokem Parametry hloubkového filtru Sterilní filtrace Tloušťka dc Kc dx c obsah evných částic x tloušťka filtru K koeficient záchytu Životnost účinnost filtru během oužití klesá, rotože se snižuje růřez órů a tedy zvyšuje rychlost roudění 1960 za sterilní ovažováno < 0,45 μm Brevundimonas (Pseudomonas) diminuta organismus roniká filtry 0,45 μm 1987: FDA standard 0, / 0, μm Současnost 0,1 μm dobrovolné iniciativy ředních výrobců mykolazmatické organismy (Acholelasma laidlawii) 11

12 Validace sterilní filtrace Sterilní filtr je třeba validovat (nestačí orozita < 0, μm) testovací organismus Brevundimonas diminuta ověřit růchod 0,4 μm filtrem zátěž filtru > 10 7 cfu.cm - rokázat sterilní filtrát neovinné nadstandardní testy s dalšími organismy Zařazení sterilní filtrace Sterilní filtr je náchylný k zanesení velkým očtem částice Filtrace se rovádí ve stuních Sterilní skladování kaalin HEPA filtry High Efficiency Particulate Air filter záchyt rachových částic a mikroorganismů velmi čisté rostory, fermentory účinnost: > 99,97 % částic velikosti 0,3 μm větší nebo menší částice se zachytávají snáze účinnost záchytu klesá ři smočení filtru (rosný bod) intenzita difuzního ohybu v kaalinách je mnohem nižší než v lynech 1